Preliminary studies and configuration proposals for eVTOL urban passenger transportation vehicles

An emerging, fast developing hot topic in aeronautical eld is arising: a new generation of small electric VTOL (Vertical take Off and Landing) vehicles alleviating urban traffic congestion in dense urban areas. This thesis aims to make an initial global analysis about what designing such a vehicle actually implies, then to propose a solution about the precise role of these eVTOL and their configuration, exploring a new approach to aircraft conceptual design. A global panorama will be thus initially provided through the analysis of a document by Uber® that contains some general guidelines about many of the aspects that should be taken into account to develop this new air service that many players are envisaging to join. This document will be discussed and some critical areas about it will be highlighted. The innovative conceptual design approach consists in the development of a tool that predicts TOW, approximate size, and power required for an eVTOL vehicle, together with some other ancillary parameters. The tool, named VTBuild, has the unique flexibility to deal with very different configurations (i.e Rotor/Propeller and eventually tilting elements configurations). Although this has the inescapable drawback to make the model deal with a high degree of approximation, in the preliminary phase of a conceptual design activity, this is deemed acceptable. A preliminary validation e ort shows that predicted weight values match well with available data related to eVTOL currently being developed. A European study has been then investigated discussing speed and range parameters that this vehicle should be able to possess in order to be pro table in the market, and three different missions typologies have been then determined by fixing, for each: Speed, Range and Number of Passengers. Capitalizing the preliminary knowledge gained through Uber® paper, the development of VTBuild modeler, and the definition of mission requirements, a possible eVTOL solution have been proposed as a final conceptual design phase that could well-match all the aforementioned requirements.

Un nuovo settore dell’aviazione sta, in questi ultimi tempi, facendo venire alla luce lo sviluppo di una nuova generazione di velivoli elettrici VTOL (eVTOL, electric Vertical Take Off and Landing), allo scopo di alleviare significativamente i disagi causati dal traffico di veicoli nelle aree urbane del mondo. Dal momento che questa nuova tecnologia potrebbe rivoluzionare una parte della nostra vita quotidiana, questa tesi si prepone di effettuare un’analisi preliminare riguardo tutte le implicazioni che verrebbero coinvolte in un ipotetico reale sviluppo di una macchina volante simile. Dopodiché si proporrà una soluzione riguardo al ruolo e alla configurazione che questi eVTOL dovrebbero avere, approcciando in maniera innovativa il progetto concettuale del velivolo. La scelta è stata dettata dal fatto che i metodi tradizionali, tipicamente basati su regressioni storico-statistiche, non hanno a disposizione questo genere di dato in questo ambito, non esistendo ad oggi eVTOL pienamente commercializzati (ne esistono solamente poche applicazioni sperimentali, che verranno anche brevemente illustrate). Inizialmente verrà quindi fornito un panorama generale riguardo a questo argomento tramite l’analisi di un documento redatto da Uber®, che ben si presta a rappresentare una sorta di insieme di condizioni iniziali del lavoro, esponendo tutti i fattori da tenere in conto per una potenziale messa in pratica di questo servizio. Il documento verrà poi analizzato per poter estrapolare aspetti affidabili dell’analisi e aspetti che possono invece essere messi in discussione. Si svilupperà quindi un modello in grado di predire il peso al decollo del velivolo, di fornire delle dimensioni di massima, e la potenza necessaria di una possibile veicolo elettrico volante, insieme ad altri parametri secondari. Il modello, sviluppato tramite Microsoft Excel® (che verrà chiamato VTBuild nel seguito), lavora tramite “Oggetti”, che sono rappresentati da componenti tipici di una macchina volante (Rotori, Eliche, Ali, Fusoliera, Carrello d’Atterraggio e altri). Questi oggetti devono ricevere da parte dell’utente degli input (che possono essere efficienze aerodinamiche dell’ala, piuttosto che la percentuale del peso a vuoto della fusoliera), per poi calcolare - per mezzo di semplici relazioni della meccanica del volo, regressioni statistiche, o assunzioni – una serie di output che andranno a formare il peso di quell’oggetto e l’eventuale potenza assorbita (o da fornire, nel caso dei motori). Il modello sviluppato possiede la flessibilità unica di poter gestire configurazioni anche molto diverse fra loro in termini di numero di eliche, numero di rotori ed eventuali elementi che possono trasformarsi dall’uno all’altra per mezzo di movimentazioni meccaniche. Questo è sicuramente il maggior punto di forza del modellatore. Risulta evidente che questa flessibilità di modello paga il prezzo di possedere un alto grado di approssimazione, che però a questo livello di progetto, è considerato accettabile. Validazioni preliminari di VTBuild hanno mostrato che esso è in grado di predire con un soddisfacente grado di precisione, pesi e potenze delle più svariate configurazioni (anche aerei puri e, con le dovute precauzioni, elicotteri puri). E’ stato verificato come il peso finale del veicolo fosse fortemente sensibile dalla velocità e autonomia chilometrica che devono essere inseriti come input, si è pensato quindi di fare un’analisi di mercato ambientata in Europa (in particolare, nella città di Milano) che identifichi con maggior precisione questi requisiti. Sono state così ricavate due tipologie di missioni: La prima, chiamata Urban (16 miglia nautiche, 100 nodi, 2 passeggeri), che possa far svolgere il ruolo di aerotaxi puramente urbano all’interno della città. Una seconda, chiamata Extra (50 miglia nautiche, 120 nodi, 3 passeggeri), che lo faccia operare più da veicolo per pendolari da e verso la città. A queste due ne è stata aggiunta una terza, chiamata Uber, per la sua ottemperanza alle direttive dettate all’interno del documento iniziale dell’omonima compagnia, ovvero 86 miglia nautiche, 176 nodi, 3 passeggeri. Capitalizzando le conoscenze acquisite, la costruzione di un tool dedicato, e i requisiti derivati da alcuni studi di carattere operativo, è stato poi possibile generare una proposta realizzativa di un eVTOL come soluzione finale di un progetto concettuale del velivolo.